非稳态渗流下砂砾岩水力裂缝扩展数值模拟

由于砾石的存在,砂砾岩储层水力压裂裂缝扩展机理不明确,裂缝形态难以控制。将砂砾岩储层中砾石表征为基质—交界面—砾石的复合结构,结合断裂力学与损伤力学的方法,建立了应力场与非稳定渗流场共同作用下砂砾岩储层水力裂缝扩展的数学模型并进行了求解,分析了主应力差、砾石粒径、砾石含量、排量等因素对裂缝扩展形态和岩体破裂压力的影响。研究结果表明:砂砾岩储层水力裂缝形态复杂,次生羽状裂缝发育;水力裂缝遇砾发生绕砾、穿砾与止裂现象,并以绕砾扩展为主;在研究范围内,水力裂缝长度随主应力差、砾石粒径、排量的增大而增大,随砾石含量的增大而减小;水力压裂过程中岩体的破裂压力与主应力差、砾石含量、排量成正比,与砾石粒径成反比。     

基于细观损伤多相耦合的砂砾岩水力压裂裂缝扩展数值模拟

低渗透砂砾岩油藏水力压裂裂缝扩展机理及其数值模拟研究,对该类储层压裂改造成功实施具有重要意义。将砂砾岩储层中砾石表征为基质- 交界面- 砾石的三模态结构,假定砾石分布与几何尺寸及储层物性满足随机分布,结合Moter-Carolo 方法,完成砂砾岩储层数学表征;考虑储层渗流场、应力场、水化膨胀湿度场的三相耦合特征,结合损伤力学、断裂力学等原理,利用细观损伤有限元的方法,建立了砂砾岩储层水力压裂裂缝扩展数学模型,并进行数值模拟研究。模拟分析了不同主应力差、基质- 砾石交界面强度、砾石强度情况下,水力裂缝遇砾石扩展情况,并最终实现砂砾岩储层水力裂缝动态扩展数值模拟。研究表明,水力裂缝遇砾发生绕砾、穿砾、止裂现象,并以绕砾扩展为主,且裂缝发生明显转向,存在羽状次生裂缝;裂缝转向程度和裂缝延伸长度与主应力差、砾石强度以及交界面强度有关,主要表现有:水平主应力差越小,水力裂缝遇砾转向越明显;基质- 砾石交界面强度增加,水力裂缝明显变短,并难以转向;随着砾石强度的增大,裂缝的转向程度增大。     

砂砾岩储集层水力压裂裂缝扩展规律与可压性评价

为探究准噶尔盆地二叠系乌尔禾组砂砾岩储集层水力压裂裂缝扩展延伸规律，采用真实破裂过程分析软件，研究砾石特征、地应力等因素对裂缝扩展的影响。根据数值模拟，研究不同条件下裂缝的扩展过程，描述岩石裂缝演化及形态，建立砂砾岩储集层可压裂性的评价模型。结果表明：乌尔禾组砾石强度和基质强度差异较大，砾石强度为216.62～2 032.64 MPa，是基质强度的2～4倍，砾岩岩石力学特性差异明显；砾石含量较小时，裂缝扩展主要受主应力的影响；砾石粒径较小时，裂缝扩展方式主要为绕砾；随着粒径增大或砾石含量增加，砾石对裂缝的抑制和屏蔽作用明显，裂缝延伸距离减小；砾石强度与基质强度差异越大，裂缝遇砾石受阻越强，扩展方式越易由穿砾变为绕砾，降低了裂缝延伸距离。运用灰色关联法和层次分析法，综合考虑砾石特征、水平地应力差等因素，建立了砂砾岩储集层可压裂性评价系数计算模型，无因次压裂裂缝面积和米采液指数与可压裂性评价系数呈正相关关系。     

玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层岩石力学特征与裂缝扩展机理

以玛湖凹陷百口泉组砂砾岩储集层为研究对象,通过岩石力学实验,开展了不同岩性砂砾岩储集层的岩石力学特性和裂缝扩展机理研究。在此基础上,利用数值模拟方法构建含有真实砾石的二维模型,研究砂砾岩中裂缝扩展的过程,讨论了砾石强度对裂缝扩展机制的影响。研究结果表明：砂砾岩具有较强的非均质性,造成不同岩性的砂砾岩力学特性差异较明显,其中细砾岩的力学强度大于粗砾岩;岩石中砾石成分和基质成分间差异对砂砾岩力学特性的影响较大;单轴压缩中砂砾岩破坏模式主要以劈裂破坏为主,而三轴压缩中砂砾岩破坏模式包括劈裂破坏、单剪切破坏和双剪切破坏等;砾石颗粒对裂缝扩展存在屏蔽作用,砂砾岩的破裂过程中裂缝扩展形式主要分为穿砾、绕砾、嵌入止砾等;砾石与基质强度差异增大,砾石屏蔽作用增强,裂缝遇砾石受阻增强,将造成裂缝遇到砾石的扩展由穿砾形式变为绕砾形式。     

砾岩储层水力裂缝扩展形态及影响因素

水力压裂技术已成为致密油气储层增产改造的主要措施之一。目前针对水力裂缝形态的研究主要集中在致密砂岩及页岩储层,以玛湖油田为代表的砾岩致密油储层由于其发现时间较晚,相关研究较为缺乏。砾岩储层非均质性较强,砾石的存在进一步加大了水力裂缝形态研究的难度。基于有限元中的内聚力模型实现了大型物理模拟实验尺度下基质和砾石的差异化表征,并通过现有实验结果,验证了模型的可行性。在此基础上,开展了影响砾岩储层裂缝形态扩展关键因素机理研究,明确了储层在低应力差下主要表现为绕砾和分叉,高应力差则以穿砾、转向为主的特征行为。在机理研究的基础上,结合现场压裂施工数据、有限元机理模型结果及微地震监测结果,基于边界元方法,论证了可采用等效天然裂缝的方式对砾岩宏观人工裂缝扩展过程进行模拟,并得出水力裂缝在宏观上以双翼缝特征为主,主缝周边可能存在小尺度分支缝的认识。基于现场压裂井的裂缝扩展模拟,验证了宏观裂缝形态的准确性。     

砂砾岩压裂中砾石对水力裂缝扩展影响机理研究

近年来砂砾岩油气藏在新探明储量中占比逐年上升,砂砾岩油气藏的开发也逐渐受到重视。砂砾岩具有渗透率低、导流能力差的特性,在开发砂砾岩油藏时需要进行大规模水力压裂形成缝网,但是由于砾石阻碍复杂缝网的形成,导致砂砾岩压裂增产效果不理想。因此针对砂砾岩的结构特征,根据断裂力学理论,以砂砾岩地层中水力裂缝为研究对象,探讨在砂砾岩地层压裂时砾石对水力裂缝扩展的影响规律。研究结果表明,水力裂缝与砾石产生相互作用后,水力裂缝的扩展以绕砾石扩展为主,少数情况下会穿过砾石;砾石的形状对水力裂缝的绕砾行为具有显著影响;随着水力裂缝在绕砾过程中的扩展方向改变,水力裂缝绕砾越来越困难;砾石越圆,水力裂缝的绕砾扩展越容易。该研究进一步揭示了水力裂缝与砾石的相互作用规律,对于砂砾岩油气藏的开发有一定的借鉴意义。     

基于离散元法的砾岩水力压裂裂缝扩展规律及主控因素

砾岩储层普遍具有低孔低渗、非均质性强等特点，地层起裂以及裂缝扩展难以控制，极大影响了砾岩储层的压裂改造效果。为了搞清砾岩储层水力压裂裂缝的形成机制，针对国内典型砾岩储层，采用数值模拟方法研究了砾岩储层裂缝的扩展规律及主要控制因素。结果表明：强度高、尺寸大的砾石对裂缝的阻碍作用较为明显，破裂压力随着砾石的强度和粒径的增大而增大；低胶结强度比有利于砾石对水力裂缝的“吸引”，进而形成曲折的裂缝延伸路径；水平应力差对裂缝延伸方向起主导作用，随着最小水平主应力的减小，地层起裂难度降低；通过随机森林对影响压裂缝扩展因素的重要程度进行分析，认为胶结强度比和水平应力差为影响压裂缝扩展的主要因素。研究成果为砾岩储层压裂的选层提供了理论依据。     

玛湖油田砾岩储集层岩石力学分析及缝网评价

砾岩储集层具有致密、胶结性差和非均质性强的特点,仅依靠地球物理测井分析或单一的力学测试,不能满足储集层裂缝几何形态分析要求。为评价砾岩储集层压裂缝网形成的能力,提出采用多种方法组合测试砾岩岩石力学参数。以准噶尔盆地西北缘玛湖油田玛15井百口泉组砾岩储集层为例,系统分析了砾岩储集层的弹性、压缩性、拉张性、延脆性和地应力,并对缝网形成能力进行了评价。研究结果表明,储集层动静态弹性模量具有较好的相关性,但动静态泊松比相关性较差,测试Biot系数为0.43～0.60,属中等偏致密岩性;研究区现今主应力偏于挤压走滑应力机制,砾石胶结程度低,致使砾岩抗压、抗张、抗剪强度相对较低,在外部载荷下易发生剪切、穿砾或绕砾破坏,压裂时以形成平面缝为主,局部砾岩层容易伴生复杂缝。     

砾石影响下裂缝扩展规律数值模拟

大规模水力压裂是致密砂砾岩储层经济高效开发的必备技术,砾石参数是影响水力裂缝形态以及整体改造效果的关键因素。砾石的存在使压裂改造施工难度增大,裂缝形态复杂、迂曲度高,支撑缝长较短,难以达到设计的裂缝导流能力。基于连续-非连续单元法（CDEM）,建立了含砾石二维流-固全耦合裂缝扩展模型,系统研究了应力差、砾石含量和施工排量对裂缝扩展形态的影响。数值模拟结果表明：基于CDEM方法的多相复合介质水力压裂模型能够准确模拟砾石影响下裂缝扩展形态;裂缝遇到高强度砾石时易偏转绕流,产生迂曲裂缝;高应力下,水力裂缝先绕砾偏转,后转向至水平最大主应力方向扩展;砾石影响下,裂缝扩展会憋压形成“高压区”,促进产生局部微裂缝,提高储层改造体积。研究为砂砾岩储层压裂设计优化奠定了理论基础。     

水力裂缝高度关键影响因素不确定性分析

水平井多级水力压裂工艺是实现致密油气等非常规油气资源经济开发的主要技术手段之一,而储层中层理面是影响水力裂缝纵向扩展的关键因素之一。针对水力裂缝穿层问题,以ABAQUS软件为平台,基于损伤力学方法的黏性单元模拟裂缝沿高度方向的起裂和扩展过程,采用平面应变三维模型模拟油藏的流固耦合力学行为,研究隔层与产层的地应力及物性参数对裂缝高度的影响,并分析了压裂过程中裂缝长度的动态变化过程。结果表明,隔层与产层的应力差和弹性模量差是控制裂缝高度的关键,高低应力、低弹性模量的上覆泥岩层会使得裂缝高度减小,有效的限制裂缝穿层。本研究对于认识水力压裂的机理具有理论意义,对水力压裂作业优化具有重要参考价值。